Biochimie I PDF

Biochimie I − La biochimie c’est la chimie des systèmes vivants. Comprendre au niveau moléculaire des mécanismes des systèmes vivants. − Ces mécanismes s’appliquent à l’ensemble des organismes vivants. (Similaires entre bactérie et éléphant) − Les systèmes vivants possèdent des propriétés...

Biochimie I − La biochimie c’est la chimie des systèmes vivants. Comprendre au niveau moléculaire des mécanismes des systèmes vivants. − Ces mécanismes s’appliquent à l’ensemble des organismes vivants. (Similaires entre bactérie et éléphant) − Les systèmes vivants possèdent des propriétés tel que : une complexité dans l’organisation, utilisation d’énergie afin de créer et de maintenir des structures, l’utilisation d’énergie afin de produire du travail, la capacité de ressentir et de s’adapter à l’environnement proche, la capacité d’autoréplication reproductible, la capacité lors de la réplication de produire des changements permettant une certaine évolution. − D’après l’arbre de vie : on a une eu un ancêtre commun, puis y a eu des bactéries, puis des archées, puis des eucaryotes. − Une grande série de mécanismes biochimiques sont semblables, à travers tous les organismes vivants, ce qui suppose qu’ils sont apparus très tôt dans le processus d’évolution des espèces. (Plusieurs centaines de millions d’années). − 4.5 Md d’années : formation de la Terre. 3.5 Md d’années : microorganismes. 2.2 Md d’années : cellules avec noyau. Entre 2.0 et 1.5 : formation de l’Oxygène et de l’atmosphère. 0.6 : organisme macroscopique. 0.25 : dinosaures. 0.0 : Humains. − La cellule : bloc élémentaire des systèmes vivants. Les systèmes vivants sont des assemblages de cellules. Les systèmes vivants simples sont unicellulaires : une seule cellule. Les organismes plus grands sont pluricellulaires : plusieurs cellules. − Les cellules possèdent des caractéristiques communes, mais aussi des différences. Chaque organisme complexe possède différents types cellulaires. − Les longueurs entre les atomes sont exprimées en Angström (A) : 1 A = 10−10m. 1 A = 0,1 nm. − Une liaison chimique covalente mesure entre 1 et 2 A. − Une molécule, le glucose : 8 A − La myoglobine (stocke l’Oxygène) native : 45 A. La chaine de myoglobine étirée = 500 A − Dans la double hélice d’ADN, le diamètre est de 20 A. La distance entre 2 bases est de 3,4 A. − La longueur de l’ADN dans chaque cellule humaine environ 1m. − Une cellule est de l’ordre de 1𝜇𝜇m − Entre une cellule de bactérie et cellule animal : similitudes (cytoplasme, membrane plasmique, ribosomes) et différences (dans bactérie : nucléoïde. Dans la cellule animale : noyau, membrane nucléaire). L’ADN dans la cellule de bactérie est circulaire, tandis qu’il est dans le noyau pour la cellule animal, mais le même registre AGTC. − Une cellule est plus visqueuse que liquide : elle contient une chromatine qui contient des protéines (qui contiennent des acides aminés) et de l’ADN (qui contient des nucléotides). − Le carbone a un rôle unique : peut se lier à plusieurs atomes de la vie + peut faire des liaisons simples, doubles ou triples. − Le silicium (sous le carbone dans le tableau périodique) ne peut pas remplacer le carbone. Les liaisons Si-Si sont moins fortes que les liaisons C-C (moins stable). La diversité des atomes avec lesquels le silicium forme des liaisons stables est plus restreinte que le carbone. La stabilité des liaisons entre le silicium et d’autres atomes n’est pas bonne en milieux aqueux. − L’Oxygène forme avec le Si un composé solide SiO2 tandis que le carbone forme un composé gazeux CO2. Le recyclage du carbone via un compos gazeux « CO2 » est plus simple que via un composé solide SiO2. − Le tableau de Mendeleïev comporte 118 atomes. 80 atomes ont un isotope stable. − La composition élémentaire des systèmes vivants se composent majoritairement de 4 éléments : Hydrogène, Oxygène, Carbone, Azote. Ces 4 éléments représentent plus de 99% des atomes présent dans une cellule. − Les métalliques (K+, Na+, Ca++, Mg++, Zn++, Fe++) joue un rôle important dans les voies métaboliques. − Au niveau de la composition chimique : l’Homme est plus proche de l’eau de mer que de la croute terrestre. − 4 classes de molécules sont très présentes : protéines, acides nucléiques, les lipides, et les hydrates de carbone. − Les protéines : assemblage d’acide aminés en chaine linéaire. Il y a une 20aine d’acide aminés. La protéine transporte les informations de l’ADN. − Les acides nucléiques : base de la mémoire du système vivant. Les acides nucléiques : 4 bases. − Les lipides : on forme des frontières, à l’intérieur des cellules on forme des zones. La plupart des membranes sont formées par des lipides. Longue chaine carbonée avec une tête hydrophile. − Les hydrates de carbone : nutriments et sources d’énergie. − Souvent les molécules biologiques possèdent plusieurs groupes fonctionnels. − La structure tridimensionnelle des molécules biologiques est importante. Cis – Trans : Cis : groupe fonctionnel du même coté par rapport à la liaison chimique. Trans : groupe fonctionnel de part et d’autre de la liaison chimique. − Avec de la lumière, on peut tourner autour d’une liaison double. − Les acides aminés peuvent exister sous deux formes non superposables : image miroir. C’est la chiralité. − Dans les systèmes vivants on retrouve presque exclusivement la forme « L ». − Les interactions entre molécules biologiques sont très spécifiques (un enzyme pour chaque réaction par exemple). − Les organismes vivants ont besoin d’énergie afin de « rester en vie ». Les organismes viants sont en équilibre dynamique avec l’environnement ce qui requiert de l’énergie. Diverses réactions chimiques permettent aux systèmes vivants de produire diverses formes d’énergie à partir de la nourriture. − Les organismes vivants créent de l’ordre. La création de l’ordre dans les systèmes vivants crée du désordre ailleurs. − Thermodynamique : échange d’énergie en J (des fois des calories). Une calorie est l’énergie requise pour élever la température de 1g d’eau de 14.5 degrés à 15.5 degrés. − Les unités d’énergie sont souvent rapportées à la mole. Une mole contient 6,022x1023 atomes. Ce nombre est appelé le nombre d’Avogadro (NA). Le nombre d’Avogadro correspond au nombre de molécules, dans la quantité de masse correspondant à la masse moléculaire. − 3 principes de Thermodynamiques : 1. Conservation d’énergie. 2. Irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. 3. L’entropie (mesure du désordre) d’un cristal parfait est nulle à 0 Kelvin (0 absolu). − Ces principes s’appliquent à tous les processus physiques et chimiques. Ils aident à prévoir dans quelles conditions un processus est spontané. − 1er principe : l’énergie totale d’un système et de son environnement est constante. − Une réaction est exothermique : la chaleur est perdue par le système : ∆𝐻𝐻𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 < 0 − Une réaction est endothermique : la chaleur est nécessaire pour la réaction : ∆𝐻𝐻𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 > 0 − 2ème principe : L’entropie est une mesure de l’ordre ou du désordre. Création d’ordre = entropie diminue. Création de désordre = entropie augmente. − L’entropie totale d’un système et de son environnement augmente toujours. ∆𝑆𝑆𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 > 0. ∆𝑆𝑆𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = ∆𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 + ∆𝑆𝑆𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 − ∆𝑆𝑆𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 > 0 : spontané. − Le changement d’entropie de l’environnement est proportionnel à la quantité d’énergie transmise à l’environnement : ∆𝑆𝑆𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = −∆𝐻𝐻𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠è𝑚𝑚𝑚𝑚 /𝑇𝑇 ∆𝐻𝐻𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠è𝑚𝑚𝑚𝑚 − → ∆𝑆𝑆𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = ∆𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠è𝑚𝑚𝑚𝑚 − ⇒ −𝑇𝑇∆𝑆𝑆𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = ∆𝐻𝐻𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠è𝑚𝑚𝑚𝑚 − 𝑇𝑇∆𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠è𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑇𝑇 − On a alors l’énergie libre (énergie libre de Gibbs) : −𝑇𝑇∆𝑆𝑆𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = ∆𝐺𝐺 = ∆𝐻𝐻𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠è𝑚𝑚𝑚𝑚 − 𝑇𝑇∆𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠è𝑚𝑚𝑚𝑚 − Si l’entropie total > 0 on a un processus spontané, donc : ∆𝐺𝐺 < 0 − Quand ∆𝐺𝐺 est négatif, l’entropie de l’univers augmente. − Le ∆𝐺𝐺 d’une réaction est indépendant du chemin suivi par la transformation : le mécanisme d’une réaction n’a aucun effet sur le ∆𝐺𝐺. Le ∆𝐺𝐺 ne fournit aucune information sur la vitesse de la réaction. [𝐶𝐶][𝐷𝐷] − ∆𝐺𝐺 = ∆𝐺𝐺 0 + 𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑙𝑙𝑙𝑙 [𝐴𝐴][𝐵𝐵] ′ − En biochimie, on utilise souvent : ∆𝐺𝐺 0 est la variation d’énergie libre standard dans des conditions « biologiques » pH=7, l’activité [H+]=1 de même que pour l’eau [H2O]=1, 25 degrés C (298K), 1bar. ′ − Le ∆𝐺𝐺 d’une réaction peut être plus grand, plus petit ou le même que ∆𝐺𝐺 0. Cela dépend de la concentration des réactifs et des produits. ′ − Le critère de spontanéité d’une réaction dépend de son ∆𝐺𝐺 (non pas de son ∆𝐺𝐺 0 ) ′ − Les réactions qui ne sont pas spontanées sur la base du ∆𝐺𝐺 0 peuvent le devenir en ajustant les concentrations des réactifs et des produits : ce principe est à la base du couplage des réactions dans les voies métaboliques. − Structure en résonance (molécules aromatiques) : la « véritable » structure électronique de cette molécule est une structure intermédiaire entre ces deux structures en résonance. − Liaisons covalentes (stables) : partage d’électrons entre atomes. Les liaisons covalentes sont « fortes », l’énergie de liaison est de 356 kJ/mol (85 kcal/mol) pour une liaison simple C-C, de l’ordre de 730 kJ/mol pour une liaison C==O. − Les longueurs de liaisons entre une paire d’atomes sont très semblables d’une molécule à une autre 1.54 A pour C-C, 1.34 A pour C=C. − La rotation autour d’une liaison simple est très facile (pas pour une liaison double). − Les interactions non covalentes diffèrent des liaisons covalentes dans le sens qu’elles n’impliquent pas le partage des électrons. − Les interactions non covalentes sont diverses : interactions électrostatiques (liaisons hydrogène, ponts salins), les interactions de Van-der-Waals, les interactions 𝜋𝜋 − 𝜋𝜋, l’effet hydrophobe. − Les liaisons hydrogènes sont des interactions électrostatiques impliquant une charge partielle positive localisée sur un hydrogène. − Ces liaisons hydrogène sont plus longues que les liaisons covalentes impliquant un hydrogène. − L’énergie d’une liaison hydrogène est de l’ordre de 20 kJ/mol à comparer à 420 kJ/mol pour la liaison covalente H-O. − Les liaisons hydrogène impliquent souvent l’azote ou l’oxygène. − La force de la liaison varie avec l’alignement, un angle de 180° est le plus favorable (stable). − Les liaisons hydrogène dans l’eau : les molécules d’eau sont aussi bien accepteuses que donneuses de liaisons hydrogène. Chaque molécule d’eau est capable de former des liaisons hydrogène ce qui est une des explications pou : un point d’ébullition élevé à 100°C, un point de fusion à 0°C, et une tension de surface élevée. − La « glace » eau à l’état solide : l’eau cristallise le plus souvent dans une maille hexagonale. Un cristal est une structure très ordonnée donc avec une entropie plus basse. La structure hexagonale du réseau maximise le nombre de liaisons hydrogène. − Importance des liaisons hydrogène : sources des propriétés spéciales de l’eau, structure et fonctions des protéines, de l’ADN, l’ARN, des polysaccharides, fixation et reconnaissance enzyme-substrat, hormone-récepteur. − L’eau est un bon solvant pour les substances chargées et polaires : acides aminés et peptides, petits alcools, les glucides. − L’eau est un mauvais solvant pour les substances non polaires : gaz non polaires, fragments aromatiques, chaines aliphatiques. − Diversité des interactions non-covalente : interactions de Coulomb (interactions électrostatiques entre espèces chargées ou entre des ions et un dipôle permanent), interactions dipole-dipole (interactions électrostatiques entre espèces non- chargées mais polarisée), interactions de Van der Waals (interactions faibles entre tous les atomes, attractive à longue distance et très répulsive à courte distance), effet hydrophobe (effet dû à l’ordre des molécules d’eau (entropie) autour de molécules non-polaire (hydrophobe). − H20 : Les liaisons O-H sont polaires et peuvent se dissocier de manière asymétrique. Les produits sont un proton (H+) et un ion hydroxyde (OH-). La dissociation de l’eau est un processus réversible très rapide. La plupart des molécules d’eau restent non ionisées, l’eau pure a une conductivité électrique très faible. L’équilibre est en faveur de la molécule H2O. − Le proton H+ n’existe pas seul, il est hydraté l’ion hydronium H3O+. H3O+ est un proton associé à une molécule d’eau via une paire d’électron libre. La molécule d’eau s’échange facilement et rapidement. H3O+ s’associe aussi avec d’autres molécules d’eau. − Dans l’eau : la somme du pH et du pOH est toujours égale à 14 dans l’eau. La neutralité signifie pH=pOH=7 − Une variation de pH d’une unité implique un changement de concentration d’un facteur 10. − Un acide faible se dissocie partiellement dans l’eau. − pKa = -log(Ka) − Les solutions tampon sont des mélanges d’un acide faible et de sa base conjuguée : le pH d’un tampon est relativement stable à l’ajout d’une quantité modérée d’acide ou de base. Le pH d’un tampon est égal au pKa lorsqu’il y a un mélange 50/50. L’effet d’un tampon est maximal au voisinage du pKa. Cet effet diminue fortement au-delà d’une unité de pH. Les Acides Nucléiques − L’ADN support de l’information génétique − ADN : le support de l’information génétique – 4 nucléotides − Protéines jouent le rôle majeur dans les processus biologiques – 20 acides aminés − Gregor Mendel (1865) : les principes de l’hérédité biologique (avec des petit pois vert et jaune) Loi de la Ségrégation : chaque caractère transmissible est défini par une paire de gènes Loi de la Dominance : un organisme avec des gènes existant sous deux formes différentes exprime celle qui est dominante. Loi de l’Assortissement Indépendant : la transmission héréditaire d’un caractère ne dépend pas de celle des autres. − Friedrich Miescher (1869) : isolation des acides nucléiques Grâce à des globules blancs de pus collecté sur des bandages Lyse cellulaire par une isolation alcaline → précipitation des noyaux. Isolation d’une seule substance chimique « la nucléine » - riche en phosphore. Etudie sur des œufs et sperme de saumon, et trouve toujours la même chose. − Mitose est un processus continu avec des phases successives : (interphase), prophase, métaphase, anaphase, télophase. − Interphase : duplication du matériel nucléaire − Prophase : condensation de filaments de chromatine, appelé plus tard chromosome chromatides et centromère. − Métaphase : disparition de la membrane nucléaire et alignement des chromosomes à l’équateur. − Anaphase : chromosome tire vers les pôles − Télophase : chromosomes diffuent et une membrane nucléaire se reforme. − Un gène est constitué d’ADN : − Les connaissances avant la résolution de la structure d’ADN − La notion de gène existait chez les scientifiques mais c’était une notion abstraite − Les protéines = enzymes, la séquence d’acide aminé est déterminante de la structure 3D de la protéine = fonction − Stanley : production de virus a partir d’un extrait de protéine (contamination d’ARN dans l’échantillon) − Linus Pauling découvre une structure d’ADN à 3 hélices : la structure est fausse : une erreur majeure, la structure de l’Adn est dessinée dans sa forme acide… forme ionisée et le groupe phosphate contient des charges. Les charges négatives des phosphates se repoussent et la structure en triples hélices ne peut être maintenue. Donohue, Watson, Crick et le fils de Linus Pauling détruise/rectifie le modèle erroné. − 1953 : Watson et Crick découvre la molécule d’ADN a une double hélice. Double hélice droite (2 hélices ayant un axe commun) Les brins d’ADN sont parallèles  Les phosphates et les désoxyriboses sont à l’extérieur, tandis que les bases occupent l’intérieur de la molécule, leur plan est presque perpendiculaire Le diamètre est de 20 A, 3.4 A séparent deux paires de bases consécutives. 10 paires de bases font un tour d’hélice (34 A) Les liaisons hydrogène entre A/T et G/C assurent la cohésion − Les liaisons hydrogène sont faible mais nombreuses. Stabilité de la double hélice : effet hydrophobe et interactions de Van der Waals − G-C : trois liaisons hydrogène − A-T : deux liaisons hydrogène − L’importance de l’ADN dans les cellules vivantes est incontestable. − En 1953 : l’ADN est probablement, si n’est pas le seul support de la spécificité génétique du chromosome et donc du gène − La structures de l’ADN ne sera pas complétement validé sauf si d’autres données de cristallographie de meilleure qualité seront collectées et analysées (structure de Dikerson) − En raison de l’appariement des A-T et G-C, Watson et Crick proposèrent qu’une moitié de l’échelle de l’ADN servait de matrice pour créer l’autre moitié de l’ADN − Différence entre la forme A et B : position des paires de bases dans l’hélice, plissement du ribose. − Structure et synthèse des acides nucléiques − Réplication semi-conservative : chacun des deux brins de la molécule sert de matrice pour la formation d’un nouveau brin complémentaire. (vraie) − Réplication conservative : on forme une nouvelle molécule d’ADN totalement néoformée à partir d’une molécule mère (fausse) − La réplication dispersive : aucun brin ne reste intact (fausse) − Un seul brin d’ADN suffit pour obtenir toute l’hélice. La réplication n’a lieu qu’en présence des 4 nucléotides. L’ADN polymérase exige un ADN intact pour servir de matrice. − M. Meselson et F. Stahl : validation de la réplication semi-conservatrice de l’ADN. Ils utilisent le N15, un isotope lourd de l’atome d’azote. Croissance bactérienne = incorporation des atomes d’azotes dans chacune des bases azotées A, G, T, C. − Question : si l’ADN est fait de manière conservatrice et qu’on effectue une expérience de type Meselson-Stahl 15N/14N, quel profil de bandes ADN verrons nous après centrifugation en gradient de densité ? Réponse : la 1ère génération de tubes aura les bandes N14 et N15, la 2ème génération aura aussi les deux bands, mais la bande N14 plus foncée. − L’ADN a le Désoxyribose. L’ARN a le Ribose. Structure d’un acide nucléique : sucre (+ base) – phosphate – sucre (+ base) – − Différence ribose et désoxyribose : groupe hydrogène (désoxyribose) soit groupe hydroxyle (ribose) − Pour les bases : Purines (Adénine et Guanine), Pyrimidines (Cytosine, Uracile pour l’ARN et Thymine pour l’ADN) − Un nucléotide est dérivé d’un nucléoside par l’addition d’un groupe phosphate. − Nomenclature pour l’ADN : acide désoxycytidylique, acide désoxythmidylique, acide désoxyadenylique, acide désoxyguanylique. Pour l’ARN : acide cytidylique. − Une chaine polynucléotidique aurait une direction telle que, si elle part de C3, elle se terminerait en C5, et si elle partait de C5, elle finirait en C3 − Le chromosome est un paquet d’ADN contenu sur une charpente de protéine. Parmi ces protéines les histones. Brin d’ADN autour des noyaux de histones qui forment à leur tour des boucles. − Les analyses par diffraction de rayons X ont montré que les histones jouent un rôle important en fournissant une structure à l’hélice d’ADN. − Klug, Wilkins, Luzzati : un modèle avec des unités répétitives dans la chromatine. − Ada et Don Olins : images de microscopie électronique : fibres de chromatines en forme de boule de 10 nm connectés par des filaments de 2nm appelés (nu) bodies. − Hewish et Burgoyne : isolation de l’ADN nucléase de foie de rats → digestion de la chromatine des multiples de petit fragment de 200bp. − Chaque 200paire de bases, il y a un site de clivage par la nucléase. − Filtration par gel pour identifier la taille des histones : 2 groupes H1, H3, H4 et H2A et H2B. H3 H4 forment un groupe, ainsi que H2A et H2B. − L’ADN s’enroule autour de ces histones. Mais où était la H1 ? − H1 vient se lie en bas de la boule (histone + ADN), elle tord l’ADN. On aura alors 6 boules (ADN + histone) autour de l’H1. − Le facteur de compaction dans une fibre de 10nm est de 6x. − Dans une fibre de 30nm, le facteur de compaction est de 36x − Les organelles eucaryotes sont originaires de bactéries (mitochondries et chloroplastes) ? − Symbiose : les deux parties sont gagnants. − La taille de la mitochondrie et de la bactérie est quasi la même. − La membrane externe des mitochondries contient des porines et de la cardiolipine. Contenue aussi dans les bactéries. Donc la mitochondrie a une origine bactérienne − Mitochondrie : génèrent et stockent l’énergie : glucose + oxygène = énergie (ATP) + CO2 + eau − Chez les plantes : chloroplaste : énergie + CO2 + eau = glucose + oxygène − Les mitochondries ne sont pas produites dans les cellules − Les mitochondries ont des parties d’ADN non codants très peu : caractéristique d’une bactérie. − Pour les cellules eucaryotes, la mitochondrie est l’endroit où l’on trouve de l’ADN autre que dans le noyau. − Quelques virus stock l’information génétique sous la forme d’ARN (exemple le VIH) − Le dogme central présumait que l’information génétique circulaire a un sens unique ADN → ARN → protéines − Rous : virus causant des tumeurs chez les poules. Pou son expérience il utilise un système non cellulaire contenant le cœur du virus + thymine radioactive. Une première fois il ajoute de la RNAse et obtient de l’ADN. Une seconde fois il ajoute de la DNAse mais les molécules d’ADN se cassait et la thymine radioactive n’accrochait pas. Une 3ème fois il ajoute de la trypsine, et aucun ADN n’est produit. − En 1960 : l’ARNm peut emmagasiner de l’information génétique et ARNt et ARNr affichent les propriétés de traduire cette information génétique en protéine. − L’ARN ne peut pas stocker l’information génétique parce que c’est une molécule pas stable. Donc c’est l’ADN qui stock. − On arrive à cette conclusion avec Stanley Miller : avec son « cocktail primitif » − Tom Cech : l’ARN est vraisemblablement la 1ère molécule capable de s’auto répliquer. Mais toujours instable. − Donc on change le ribose en désoxyribose et l’uracile en thymine : l’ADN en ARN. L’ADN est stable pour l’information génétique. − Réplication de l’ADN − La réplication de l’ADN = duplication du patrimoine génétique pour obtenir 2 exemplaires, chacun transmis à une des deux cellules filles lors de la division cellulaires. La réplication a donc lieu avant la division cellulaire. − Fidélité : la survie à court terme de la cellule et de l’organisme dépend de la prévention de la modification de son ADN – mutations, associés à certaines pathologies (cancer). − Possibilité d’erreurs = système de réparations d’ADN (taux inférieur à un nucléotide modifié sur 109 par cycle cellulaire. − Mécanisme semi-réplicatif : brin parental est lu dans le sens 3’ vers 5’ et sert de matrice à la synthèse d’un brin complémentaire et antiparallèle, appelé brin fils ou brin néosynthétisé, synthétisé dans le sens 5’ vers 3’. − Une paire de base est lié par une liaison hydrogène non covalente : donc on peut la casser. − La dénaturation ou la fusion des acides nucléiques peut être suivie par la mesure de l’absorbance : on a un effet hyperchrome plus élevé pour un ADN simple brin que pour un ADN double hélice. − Le contenu en G et C est un paramètre important pour la température de dénaturation. − Eléments nécessaires pour la réplication de l’ADN : ADN parental, dNTP (dATP, dCTP, dTTP et dGTP), ions Mg2+ (stabilise les dNTP). + les enzymes suivantes : hélicases (initiation de la réplication), topoisomérases (limiter le surenroulement du brin), ADN polymérase, primases (synthétise une amorce d’ARN). − La réplication chez les procaryotes : la réplication et la modification d’un chromosome circulaire (formation de l’œil de la réplication, agrandissement de cet œil, séparations de 2 chromosomes). − Réplication bidirectionnelle et rapide : environ 1000 bases/s, 20 à 100 min − Phase d’initiation : Dna A (initiateur) qui se lie à l’Ori C (245 paires de bases riches en T et A). Une fois la reconnaissance faites, la Dna B (hélicase) vient s’accrocher et ouvre l’ADN double brin en simple brin. La Dna G (primase) vient se lie pour synthétiser une amorce d’ARN. Pour maintenir les deux brins ouverts et empêcher leur fermeture par derrière, on a une protéine SSB (single strand binding). − L’Hélicase : structure hexamèrique. Les boucles de fixation au DNA bordent le canal central. L’hydrolyse de l’ATP en ADP induit un changement de conformation de la sous-unité qui permet de tirer un des deux brins de l’ADN à travers le canal. Séparation de l’ADN parental en supprimant les liaisons hydrogène entre les bases complémentaires qui se font face. Le déplacement le long de l’ADN parental nécessite une énergie (hydrolyse des molécules d’ATP en ADP et Pi). − Le déplacement d’une hélicase le long de l’ADN qu’elle déroule provoque un surenroulement de l’ADN en amont en l’absence d’un changement. C’est le rôle de la topoisomérase. − Il existe deux types de topoisomérases : topoisomérases I qui n’agissent que sur un seul brin de l’ADN et ne nécessitent donc pas d’ATP. Les topoisomérases II agissent sur les deux brins de l’ADN, et nécessitent de l’ATP pour maintenir les deux fragments d’ADN. Chez les procaryotes, la gyrase bactérienne est une topoisomérase II. − La primase synthétise une amorce d’ARN sur le simple brin. Ensuite vient l’ADN polymérase sur ce dernier pour commencer sa polymérisation. − La polymérisation TOUJOURS de 5’ à 3’. Synthèse du brin fils par polymérisation en utilisant un brin de l’ADN parental comme matrice. L’activité ADN-polymérique est la synthèse de l’ADN dans le sens 5’ vers 3’. La synthèse se fait de manière complémentaire et anti parallèle de l’ADN parental. − L’ADN polymérase III a le rôle majeur dans la synthétisation. − Puisque la propagation est bidirectionnelle : 2 fourches de réplication, une de 5’ vers 3’ et l’autre de 3’ vers 5’ ce qui cause problème puisque dans ce sens c’est impossible. − Donc on aura dans ce cas une polymérase qui synthétise en reculant, se détache, avance, puis resynthétise en reculant. − Ce qui donne un fragment d’Okasaki : ARN + ADN − La ligase vient coller le brin parental et le brin synthétisé. − On aura alors un brin avancé : synthèse d’ADN dans le sens d’ouverture de la fourche : extension continue. − Et un brin retardé (ou discontinu) : sens contraire : extension discontinue du brin néosynthétisé par les fragments d’Okasaki. − L’ADN polymérase III est plus adapté pour le brin discontinu. Pour le brin continue l’ADN polymérase est toujours attaché à ce brin parental grâce à une protéine : clamp. − Phase de terminaison : étapes nécessaires pour finir la réplication : éliminer l’amorce ARN (RNAse H), remplacer les amorces d’ARN par de l’ADN (ADN polymérase I), transformer le brin discontinu en un brin continu (ADN pol I), relier les fragments d’ADN (ADN ligase). − Présence de séquence « terminator » pour chacune des 2 fourches. Reconnaissance des séquences d’arrêt par la protéine Tus (blocage de la DnaB). Intervention de la topoisomérase pour catalyser la séparation des 2 chromosomes. − L’ADN chez les bactéries peut être méthyler sur 2 bases : la cytosine et l’adénine. − La méthylation = système de défense des bactéries contre les bactériophages (protection du génome bactérien par méthylation) − La méthylation du brin fils se fait toujours avec un temps de retard = mismatch repair ou « réparation des mésappariements ». Reconnaissance brin matrice VS brin néosynthétisé est basée sur la présence de méthylations. − Albert Kelner : une culture bactérienne pourrait se remettre d’une mort apparente par UV = exposition à la lumière du jour. − Rupert et Goodgal : la lumière aidait à réparer l’ADN endommagé par les UV − Réplication chez les eucaryotes : même mécanisme, mais : se fait dans le noyau cellulaire. Il y a différence : dans la taille : le génome eucaryote est plus grand que le génome procaryote. L’origine de la réplication : la bactérie à 1 origine : Ori C, chez l’être humain, il y a 100.000 origines de réplication, qui s’active de façon asynchrone. Chez les eucaryotes, les chromosomes formés de molécules d’ADN linéaire et double brin. Chez les bactéries l’ADN est circulaire. Structure : en nucléosomes pour faciliter la condensation de l’ADN afin que le génome puisse rentrer dans le noyau cellulaire. − Il y a beaucoup plus de polymérase impliquée et : − Elimination des amorces ARN par RNAse H et l’exonucléase FEN1 − Pas d’équivalent de séquence « terminator » et de protéine TUS des procaryotes − Intervention de cohésines pour stabiliser les chromatides jusqu’à l’anaphase − Intervention de topoisomérases de type I (A, B) et II − Réparation aléatoire des nucléosomes entre les deux nouveaux doubles brins − Les télomères sont des séquences d’ADN situées aux extrémités des chromosomes. On y trouve une séquence répétée en tandem (chez l’Homme : TTA GGG). − La télomérase : ribonucléoprotéine, qui contient une séquence d’ARN qui vient se lier sur le coté 3’ non synthétiser (encore simple brin). − la réplication de l’ADN mitochondriale : est contrôlée par des gènes nucléaires et fait intervenir de nombreux facteurs protéiques. − L’ADNmit est un ADN circulaire mais ne suit pas les mêmes règles que chez les bactéries : il a 2 origines de réplication : Origine H (lourd) Origine L (léger). − On aura donc deux tours : le premier commençant à l’origine H, et quand il se termine (à l’origine L), le 2ème tour commence cette fois ci de l’origine L. − Réponse : A, B et C − Transcription : − L’ARN est l’intermédiaire entre ADN et protéine. − L’ARN est un acide nucléique qui se trouve dans le cytoplasme. Plusieurs types d’ARN sont mobilisés lorsque l’information génétique est décodée. − Dans le noyau, le code ADN est « transcrit » ou copié en une molécule d’ARN messager (ARNm). − Dans le cytoplasme, le code ARNm est traduit en acides aminés. − Transcription : copiage fidèle à l’aide d’un système d’écriture différent. Compréhension n’est pas nécessaire. − Synthèse du brin d’ARN par polymérisation en utilisant le brin (-) de l’ADN comme matrice. L’activité ARN-polymérique est la synthèse de l’ARN dans le sens 5’ vers 3’. Lors de la formation de la liaison phosphodiester, il y a libération de 2 pyrophosphates qui s’hydrolysent en 2 phosphates inorganiques. Différence : U à la place de T, face à A. − Seul l’ADN des gènes est transcrit grâce à une ARN polymérase ADN dépendante. − Chez les eucaryotes, la chromatine doit être dans une conformation « active », obtenue en particulier grâce à des modifications des histones. − L’ARN polymérase recopie le brin + de l’ADN en ARN. Donc le brin matrice est le brin -. Un seul des 2 brins est transcrit par unité de transcription. − L’ADN polymérase a besoin d’une amorce pour initier la réplication. L’ARN polymérase n’en a pas besoin pour initier la transcription. − L’ADN polymérase est environ 20x plus rapide que l’ARN polymérase (1000 vs 50 nucléotides par seconde) − L’ADN polymérase a un site d’édition, l’ARN polymérase n’en a pas. Conséquence : 1 erreur sur 104/105 nucléotides pour l’ARN polymérase. C’est 100.000 fois plus élevé que pour l’ADN polymérase. − L’ARN polymérase est un complexe protéique. Nombre restreint de sous-unités chez les procaryotes (5) en comparaison avec les eucaryotes (5 à 10). − L’ARN polymérase reconnait une séquence localisée en 5’ du gène : le promoteur qui contient des motifs particuliers. − Promoteur : une séquence d’une centaine de paires de base. − TATA box : séquence qui contient TATA = reconnaissance de site d’initiation de l’ARN pol II. − Les ARN polymérases se fixent sur des sites promoteurs de la matrice d’ADN pour initier la transcription. − La fixation du complexe ARN polymérase entraine l’ouverture de la double hélice. − La reconnaissance du promoteur implique de nombreux facteurs protéiques : − Procaryotes : facteurs alpha − Eucaryotes : nombreux facteurs de transcription spécifiques des différents ARN polymérases : ARNpol II (TFIIA- H), ARN pol I (TAFs), ARN pol III (TFIIIA-C). − La fixation de l’ARN polymérase est conditionnée par la séquence d’intervention des facteurs de transcription. − L’élongation se fait dans le sens 5’ vers 3’ par la formation de liaisons phosphodiester. La polymérisation s’accompagne d’un remodelage des nucléosomes et des histones. − Déroulement en amont de l’ADN pour ouvrir les doubles brins, puis un ré enroulement en aval de l’ADN pour refermer les doubles brins. − Terminaison de la transcription Rho- indépendante − Elle a lieu au niveau d’une séquence répétée inversé (également riche en paires G-C) suivie de 6 A. − Transcription séquence inversée → formation d’une structure en « épingle à cheveux » → blocage du complexe de transcription − Liaisons H entre poly A et le brin complémentaire poly-U néosynthétisé sont rompus − Dissociation de l’ARN pol. − La transcription en épingle à cheveux ce qui stoppe la progression de l’ARN polymérase. − Rho (une hélicase ARN-ADN / ATP-dépendante sous forme d’hexamère) se fixe sur l’ARN et le complexe d’élongation est dissocié. Le brin d’ARN néosynthétisé est libéré du brin d’ADN matrice. − Chez les procaryotes, la transcription est couplée à la traduction lors que chez les eucaryotes les ARNm seront exportés hors du noyau avant d’être traduits. Chez les procaryotes, plusieurs gènes peuvent être transcrits à partir d’un promoteur unique. − Opéron : ensemble de gènes sous le contrôle d’un seul promoteur. − Pour que l’information passe de l’ADN aux protéines, la cellule utilise diverses classes de molécules d’acides ribonucléiques ou ARN : ARNt : ARN de transfert qui apportent les acides aminés à la machinerie de traduction des ARN messagers en protéines Les ARNr : ARN ribosomaux qui constituent (avec des protéines) les ribosomes. ARNm : ARN messagers Des petits ARN (snRNA, siRNA,…) de faible taille. Ils participent à divers mécanismes métaboliques dont la maturation des ARN. Ces petits ARN possèdent souvent une activité catalytique. Des lncRNA : impliqués dans divers mécanismes de régulation (ex. les modifications épigénétiques) − Le pré-RNA messager : a une coiffe au niveau 5’ et une queue 3’ (poly A) : ceci lui permet une protection. − Le signal de clivage est AAUAAA au niveau de 3’ pour la queue (poly A), qui va stabiliser et protéger l’ARNm. − Reconnaissance d’un motif de polyadénylation par CstF et CPSF Arrêt de l’ARN pol II Clivage de l’ARN par une endonucléase spécifique Intervention du polyA qui ajoute des motifs adényliques en présence d’ATP pour stabiliser l’extrémité 3’. − Rôles : stabilité de l’ARNm + Export des ARNm du noyau vers le cytoplasme. Pour stabiliser l’ARNm faut la stabiliser des deux cotés 5’ et 3’. Du coté 5’ on a la coiffe. Du coté 3’ on a une queue polyA. Les CstF et CPSF déconnecte l’ARN polymérase. − Dans un fragment d’ADN : 2 séquences : exons et introns. Lors de l’épissage, les introns sont éliminés et c’est les exons qui codent. − Les petits ARN nucléaires sont très importants : catalysent l’épissage des précurseurs. − Maturation des ARNr : Les ARNr sont le produit de gènes multicopies (28+18+5,8s et 5s) Les ARNr eucaryotes 5,8s, 18s et 28s sont transcrits par l’ARN pol I et l’ARNr 5s est transcrit par l’ARN pol III Les ARNr 5,8 18 et 28s sont produits et maturés au niveau du nucléole. Présence d’un 5’ NTP, absence de polyadénylation : protection des extrémités par la formation de structures II et une association avec des protéines Absence d’épissage − Maturation des ARNt : ARN pol III forme un transcrit primaire qui sera couper en 2 cotés − Ils comportent des introns – éliminés lors de la maturation − Coupure par endonucléase. Maturation extrémité → RNAse P (clivage 5’) + exonucléase 3’-5’. − Addition d’un motif CCA − Dégradation des ARN : élimination de la coiffe en 5’ par l’enzyme Dcp1p activé par la désadénylation de l’extrémité 3’, puis attaque par des exonucléases. Dégradation des ARNm non-sens par NMD assure la dégradation des ARNm ayant un codon stop prématuré avant le dernier exon Dégradation des ARN double brins exogènes par interférence d’ARN. − La rifampicine inhibe spécifiquement l’initiation de la transcription. L’élongation n’est pas inhibée car l’hybride ADN-ARN occupe le site de la protéine qui lie la rifampicine. Ce site est conservé dans les RNA polymérases procaryotes mais pas dans les cellules eucaryotes. Actinomycine : le phénoxazone se glisse entre les paires de bases et empêche la séparation des brins de l’hélice d’ADN. − Traduction et code génétique − L’ARN est l’intermédiaire entre ADN et protéine. − Traduction : exprimer un mot dans une langue différente (la compréhension du texte est nécessaire). − Pour satisfaire les 20 acides aminés : lecture des bases 3 à 3. − La méthode des triplets de Nirenberg (années 60) − 3 codons STOP : UAG, UAA, UGA − Il y a 61 codons et que 20 acides aminés : le code est dit dégénéré (comprend de nombreux synonymes) − La dégénérescence du code minimise l’effet nocif des mutations (mutations silencieuses), elle permet des variations sans affecter la séquence des protéines. − Pour la mitochondrie : UGA n’est pas un STOP mais un Trp. − Le cadre de lecture détermine la nature du message : où on commence la lecture et où on la termine. − Mutations silencieuses : changement de nucléotide ne changeant pas l’acide aminé. − Mutations faux sens : changement de l’acide aminé après changement de nucléotides − Mutations non-sens ; changement de l’acide aminé par un STOP après changement de nucléotide − Mutations par délétion : suppression d’un nucléotide qui change tout le cadre de lecture (décalage) − Mutation par insertion : ajout d’un nucléotide qui change tout le cadre de lecture (décalage) − L’ARNr n’est pas la matrice pour la synthèse protéique − Les aminoacyl-tRNA synthétases lisent et comprennent le code génétique. Cette protéine reconnait l’anticodon. − Les ARNt lient le monde du ARN à celui des protéines. Vérifie que la séquence de l’anticodon correspond à la séquence de l’ARNm. − Les ribosomes ont trois sites de fixation pour les ARNt : site A (aminoacyl) site P (peptidyl) et site E (exit). − Chez les procaryotes : l’initiation de la traduction est différente. Le ribosome s’installe en amont du Met, mais l’initiation se fait à la Met (AUG). Séquence Shine-Dalgarno (séquence riche en purine en 5’). − Chez les eucaryotes pas de Shine-Dalgarno. On cherche la Met la plus proche de 5’ pour débuter la traduction. − Terminaison de la synthèse des protéines : un facteur de terminaison (RF1) reconnait le codon STOP dans le site A et induit la libération de la protéine du ARNt situé sur le site P. − L’ARNt, sur un brin, il y a de la ribothymidine. − Acide selon Bronsted : un acide est une espèce chimique capable de fournir un ou plusieurs protons − AH ↔ A- + H+ : AH/A- forme le couple acide-base. AH est l’acide conjugué de A-. A- est la base conjuguée de AH. − Base selon Bronsted : une base est une espèce chimiques capable de capter un ou plusieurs protons − B + H+ ↔ BH+ : BH+/B forme le couple acide-base. BH+ est l’acide conjugué de B. B est la base conjugué de BH+. − Acide selon Bronsted : acide fort : dissociation quasi-total (pKa élevé < 0). Acide faible : dissociation faible (pKa petit > 1). − Base selon Bronsted : Base forte : la réaction est quasi-total. Base faible : la réaction est partielle. − Si un acide est faible, sa base conjuguée est forte. Et inversement. − Le maintien du pH intracellulaire est vital pour toutes les cellules Les réactions catalysées par des enzymes ont souvent un pH optimal La solubilité des protéines, molécules polaires dépend du pH. La stabilité des liaisons faibles est influencée par le pH ( < pH=2 et > pH=10 L’équilibre entre le gaz CO2 et le HCO3 dissous dépend du pH. − Le maintient du pH intracellulaire dans les cellules grâce à des systèmes tampons tels que : L’équilibre H2PO4(-1)/HPO4(2-) (pKa = 6,8) présent à des concentrations milimolaires Le système acide carbonique (H2CO3), bicarbonate (HCO3(-)) et gaz carbonique (CO2) important pour la respiration, (pKa = 6,1 H2CO3/HCO3(-)) La chaine latérale histidine qui a un pH aux alentours de 7 Protéines − Les protéines sont les outils de la cellule − Ils sont des hétéropolymères, capables de fabriquer des molécules toutes identiques − Des acides aminés assemblés. L’ordre d’assemblage est très important. − Entre 100 et 30.000 acides aminés. − Les protéines sont des hétéropolypeptides. Les protéines sont formées de l’assemblage de 50 à 200 acides aminés (peuvent aller jusqu’à 30.000). Certaines protéines sont des assemblages de sous unité polypeptidiques. − La masse moléculaire d’un acide aminé est d’environ 110 g/mol − Les protéines sont des hétéro polymères ayant des propriétés très diverses dans les systèmes biologiques : − Catalyseurs ou enzymes : accélère les réactions (exemple digestion) − Canaux : à travers les membranes. Permet de contrôler les passages dans les membranes. − Structure : structure des cheveux grâce à des protéines − Transporteurs : l’oxygène est transporté aux poumons par des protéines (hémoglobine) − Messagers, commutateurs… − Les acides aminés sont les unités structurales de base des protéines. − Un acide aminé c’est : Un carbone 𝛼𝛼 Un groupement NH3 Un hydrogène H Un groupement carboxylique COOH Une chaine latérale R qui va différencier les différents acides aminés − Il existe deux formes, miroir l’une de l’autre non superposable des acides aminés (sauf la glycine). L’isomère L est seulement présent dans les protéines L’isomère D existe dans certaines membranes de bactéries − Les 20 acides aminés que l’on rencontre dans les protéines se différencient par leurs chaines latérales. Elle varie par sa taille, sa forme, sa charge, souvent le pH, sa capacité à former des liaisons hydrogènes, le caractère hydrophobe ou hydrophile et sa réactivité chimique Les acides aminés ont des abréviations à 3 lettres et à 1 lettres − Classement des acides aminés selon les caractéristiques chimiques de la chaine latérale R : − Acides aminés hydrophobes avec des groupements R non polaires Glycine, Alanine, Proline, Valine, Leucine, Isoleucine, Méthionine, Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane − Acides aminés polaires avec des groupes R neutre mais une distribution des charges non uniformes Serine, Thréonine, Cystéine, Asparagine, Glutamine − Acides aminés chargés positivement avec un groupe R chargé positif à des pH physiologiques 6-8 Lysine, Arginine, Histidine − Acides aminés chargés négativement avec un groupe R chargé négatif à des pH physiologiques 6-8 Aspartate, Glutamate  − Au voisinage de la neutralité, pH 7, les acides aminés sont dipolaires La fonction amine NH2 devient protonée : NH3+ La fonction carboxylique COOH devient déprotonée : COO- − Les charges portées par un acide aminé varient en fonction du pH de l’environnement − Le point isoélectrique pI est ainsi défini : pH pour lequel la charge électrique nette de la molécule est nulle. − Pour un acide aminé sans chaine latérale ionisable, 𝑝𝑝𝐾𝐾1 +𝑝𝑝𝐾𝐾2 son pI est la moyenne des pKa : 𝑝𝑝𝑝𝑝 = 2 − Les liaisons peptidiques − Les protéines ainsi que peptides sont des hétéropolymères constitués de l’assemblage linéaire plusieurs acides aminés 2 à 50 pour les polypeptides et de 100 à plusieurs centaines ou milliers pour les protéines. − Deux acides aminés peuvent se relier par une liaison covalente. La partie amine réagit avec la partie carboxylate en formant une nouvelle liaison peptidique/amide et libération d’une molécule d’eau. − La formation de la liaison peptidique n’est pas favorisée thermodynamiquement (8/16 kJ/mol d’énergie libre), l’hydrolyse oui. Cinétiquement la liaison est stable, la demi-vie en absence de catalyseur, ou de conditions extrêmes de base ou d’acide est de l’ordre de 10/1000 ans suivant le pH. − Cette réaction de polymérisation continue jusqu’à l’obtention de la molécule désirée. Ce n’est pas une polymérisation aléatoire. L’ordre des acides aminés est fondamental à la fonction. − Par convention, les acides aminés sont numérotés depuis l’extrémité portant le NH3. − Structure secondaire : hélice alpha ou feuillet beta − Structure tertiaire et quaternaire : hélice alpha + feuillet beta + boucle (3 dimensions) − Les propriétés particulières de liaisons peptiques entre chaque acide aminé restreint l’espace conformationnel des protéines. La liaison peptidique est un hybride de plusieurs structures. − La résonnance implique : liaison peptidique moins réactive, rigide et planaire Cis ou Trans. Le moment dipôle favorise la conformation Trans. − Les polypeptides sont des assemblages d’unités planaires comprenant 6 atomes. Des rotations entre ces assemblages d’angle 𝜙𝜙 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝜓𝜓 − La structure secondaire des protéines : − Hélices Alpha La liaison amide est la liaison covalente entre des acides aminés d’une chaines de polypeptides Le polypeptide est linéaire Il n’y a pas de liaison covalente de type amide entre des acide aminé non adjacent le long de la séquence primaire d’une protéine. Il y a des exceptions : la formation d’un pont covalent -S-S- entre des cystéines. Toutes autres interactions sont non covalentes. Liaisons H, pont-salins, de van der Waals, hydrophobes. Ces interactions faibles permettent de la flexibilité aux protéines. La flexibilité des structures des protéines est indispensable à leurs fonctions. Le fonctionnement optimal d’enzyme requière souvent de la flexibilité. L’entrée de l’Oxygène dans l’hémoglobine requière de la flexibilité. C𝛼𝛼 est le carbone auquel est fixée la chaine latérale. C’est l’atome de carbone du carbonyle. Les liaisons N- C𝛼𝛼 et C𝛼𝛼-C sont des liaisons covalentes simples La rotation autour de ces liaisons est libre, la barrière de rotation est faible. La rotation autour de ces deux liaisons est limitée par les encombrements stériques. L’angle de torsion N-C (C-N- C𝛼𝛼-C) porte le nom de phi 𝜙𝜙 L’angle de torsion C- C𝛼𝛼 (N- C𝛼𝛼-C-N) porte le nom de psi 𝜓𝜓 L’angle de torsion C-N (C𝛼𝛼1 -C-N- C𝛼𝛼2 ) de la liaison peptidique est planaire. − La valeur de phi influence les valeurs possibles de psi. La variété des paires d’angles phi et psi que l’on observe parmi les structures connues des protéines n’est pas uniforme. Certaines combinaisons sont beaucoup plus présentes que d’autres.  − Certaines combinaisons de phi et psi sont très défavorable pour question d’encombrement stérique. − D’autres combinaisons de phi et psi sont favorables car elles permettent la formation de liaisons hydrogène le long de la chaine. − La connaissance de la séquence primaire d’une protéine et sa comparaison avec les bases de données de séquence permet d’avoir une idée de la fonction et de la localisation d’une protéine. La séquence primaire est le facteur principal déterminant la structure tridimensionnelle d’une protéine. − La liaison peptidique a une longueur entre 1.25 A (liaison double C==N) et 1.47 A (liaison simple C—N) : 1.32 A. − Dans certaines protéines, si la structure le permet, deux cystéines (leurs chaines latérales) peuvent s’oxyder et créer une liaison covalente entre deux acides aminés. Cela s’appelle des ponts disulfures S-S, leurs stabilités est de -20 kJ/mol. − L’insuline, une hormone impliquée dans la régulation du glucose dans le sang est une protéine ayant des ponts S-S disulfure intra-chaine et inter-chaine stabilisant la structure. − Les structures secondaires se réfèrent à l’organisation spatiale locale de la chaine principale. Deux arrangements spéciaux sont très communs : les hélices alpha (structures stabilisées par des liaisons hydrogènes entre des acides aminés proche dans la séquence primaire), les feuillet beta (structures stabilisées par des liaisons hydrogènes entre des acides aminés qui ne sont pas proches dans la séquence primaire). Les parties n’appartenant pas à ces deux catégories sont soit des boucles de liaisons ou des régions sans structures particulières. − En 1951, Linus Pauling et Robert Corey, propose la première structure nommée hélice alpha : − La structure en hélice alpha est maintenue par des liaisons hydrogènes entre l’amine du résidus n et celui en n+4 − C’est une hélice à droite avec 3.6 résidus (acides aminés) (5.4 A) par tour. − Les liaisons peptidiques sont quasiment alignées parallèlement à l’axe hélicoïdal. − Les chaines latérales pointent et sont à peu près perpendiculaires à l’axe hélicoïdal. − L’hélice droite est plus fréquente dans les structures des protéines. − Les angles psi et phi de chacun des résidus dans l’hélice alpha sont similaires. Les angles se trouvent aux valeurs au voisinage de : phi = -57° +/- 10 et psi = -47 +/- 15. − L’hélice alpha est stabilisée par des liaisons H entre les groupes de la chaine principale le C==O avec le N-H situé 4 résidus plus loin. − Le diamètre interne des hélices alpha a une dimension de 4/5 A (trop petit pour beaucoup de molécule − Le diamètre externe la chaine latérale est de 10/12 A (bien adapté au sillon majeur de l’ADN). − Les acides amidés 1 et 8, 8 et 15 etc… sont bien alignés. Permet de créer des faces d’hélices hydrophobes. − Toutes les séquences n’adoptent pas des structures en hélice alpha. Les acides aminés de petites tailles Ala et Leu avec une chaine latérale sont des inducteurs d’hélice alpha. La proline, Pro cyclique induis des restrictions angulaires (N- C𝛼𝛼) angle 𝜑𝜑. Pro est donc un briseur d’hélice alpha. La glycine Gly est aussi un briseur d’hélice alpha car cet acide aminé n’a pas de restriction d’angle. Des interactions attractives ou répulsives entre les chaines latérales entre i et i+3 ou i et i+4 peuvent stabiliser ou au contraire déstabiliser des hélices alpha. Le sens d’enroulement de l’hélice alpha est généralement droit. − La liaison peptidique possède un dipôle permanent C==O négatif, N-H (amide) positif. L’orientation des liaisons peptidiques est similaire. En conséquence les hélices alpha possèdent un large moment de dipôle qui est augmenté aux extrémités, car ces liaisons ne sont pas impliquées dans des liaisons H. − Des acides aminés négatifs sont souvent présents dans la région positive des hélices alpha. − Les feuillets beta − Les chaines latérales des acides aminés sont alternativement en dessus et en dessus. Les chaines latérales des acides aminés sont plus éloignées dans les feuillets beta que dans l’hélice alpha. La distance entre deux C𝛽𝛽 de chaine latérale d’acide aminé en i et i+2 est de l’ordre de 7 A.  − Les brins beta différent des hélices alpha car la chaine est étirée et non pas étroitement enroulé comme dans l’hélice alpha − Les brins beta ne forment pas de liaisons internes, mais avec d’autres brins − Les brins sont soit parallèles, soit antiparallèles − Les brins ne sont pas plats, mais plissés − Les structures comprenant plusieurs brins beta sont des feuillets beta. − Les brins sont maintenus ensembles par des liaisons H entre le H du N-H et le O du C==O du brin opposé. − On retrouve deux géométries principales entre les brins qui se distinguent par leur direction selon la direction de la séquence primaire. Les feuillets parallèles ont des brins orientés dans la même direction (les liaisons H ne peuvent pas être optimales, elles sont éloignées de la colinéarité donc plus faible. Les feuilles antiparallèles ont des brins orientés dans des directions opposés (liaisons H optimales, donc plus forte) Les feuilles beta parallèles et les feuillets beta antiparallèles peuvent s’associer formant des feuillets mixtes − Dans le cas de feuillets beta antiparallèles provenant de segment proche dans la séquence primaire. L’inversion de direction est réalisée par la structure de tournant beta. Les tournants beta (beta turn) sont aussi appelé « hair pin » ou épingles à cheveux. − Les liaisons H entre 1 et 4 dans le tournant stabilisent cette structure. Cette structure interagit aussi favorablement avec les molécules d’eau. − Les tournants beta sont fréquent dans les feuillets antiparallèles. Le tournant de 180° est réalisé par 4 acides aminés. L’acide aminé Proline Pro est souvent présent en position 2. Glycine est lui présent en position 3. Les tournants beta I sont deux fois plus fréquent que les types II. − Les acides aminés aromatiques Tyr, Trp et Phe ainsi que les acides aminés ayant des chaines latérales ramifiés Tyr, Val et Ils sont souvent présent dans les feuillets beta. La proline Pro est souvent aux extrémités de feuillets beta, cela diminue l’agrégation entre protéines. − La majorité des liaisons peptidiques qui n’impliquent pas de proline Pro sont dans une configuration trans > 99.95% − Les liaisons peptidiques impliquant une proline Pro on observe 6% de configuration Cis − La plupart des liaisons peptidiques Cis sont des tournant beta. − La transformation Cis/Trans est facilitée par une enzyme : la proline isomérase. − Structure tertiaire : assemblage des structures secondaires − La représentation en ruban permet de voir les structures secondaires, tandis que la représentation en CPK permet de mieux se rendre compte que la protéine reployée est étroitement et laisse très peu d’espaces libres. − La structure tertiaire rend les protéines compactes : En conformation beta : 2.000 x 5 A Hélice alpha : 900 x 11 A Forme native : 100 x 60 A − Les objets moléculaires tels que les protéines de taille 100 A soit 10nm ne sont pas visibles directement car plus petits que les longueurs d’onde visibles 300 à 900 nm. − Les rayons X permettent de « voir » les protéines. La vision des protéines est indirecte, on visualise les figures de diffraction des structures régulières des cristaux de protéines. − La RMN (résonnance magnétique nucléaire est une autre méthode permettant de modéliser la structure tertiaire des protéines. Elle est basée sur l’interaction entre atomes voisins. − Les structures secondaires sont reliées par des boucles. − Il y a une absence de symétrie interne dans la structure tertiaire. − La Fibroïne, protéine présente dans la soie, doux et flexible, très riche en feuillet beta antiparallèle riche en Ala et Gly. − La distribution des acides aminés ne sera pas la même, si la protéine est soluble ou insérée dans une membrane. Une protéine soluble possède à sa surface une majorité d’acide aminé hydrophile. De l’intérieur cette protéine à une majorité d’acide aminé hydrophobe. − Les atomes à l’intérieur d’une protéine sont très intriqués. Afin de pouvoir réaliser ce type d’arrangement, il est nécessaire d’avoir une certaine diversité de la taille des chaines latérales des acides aminés hydrophobes. − La distribution des acides aminés d’une protéine dans une membrane aura une distribution où les acides aminés hydrophobes sont à la surface. − L’environnement d’une protéine transmembranaire est lipidique, donc bob polaire. Les chaines latérales des régions transmembranaires sont souvent hydrophobes. Ces chaines latérales vont avoir des interactions de type Van der Waals favorable avec les lipides de la membrane. Pas d’interactions de type liaisons H. − La formation d’hélices alpha et d’assemblages de brins beta est fortement favorisée pour les protéines transmembranaires. Les boucles reliant les hélices ou les brins beta seront souvent à l’extérieur de la membrane. − Structure quaternaire : assemblage de structure tertiaire. − Lorsqu’une protéine contient plus d’une chaine polypeptidique il y a un niveau supplémentaire d’arrangement : structure quaternaire. La structure quaternaire décrit l’arrangement de ces sous-unités les unes par rapport aux autres. La liberté des arrangements est plus grande, car les sous-unités ne sont pas liées par des liaisons covalentes. L’arrangement de ces sous-unités les unes par rapport aux autres permet à la structure d’avoir des axes de symétries. − Le reploiement des protéines − La fonction d’une protéine dépend de sa structure 3D. la perte d’intégrité structurelle est accompagnée d’une perte de l’activité. La perte d’intégrité structurelle est nommée dénaturation. − La dénaturation est obtenue par des changements de : température (chaud/froid), pH extrêmes, solvants organiques, agents chaotropes : urée et chlorhydrate de guanidinium. − La température dénature les protéines en augmentant l’agitation des atomes. La température diminue le nombre de liaisons H internes, et les interactions hydrophobes. − L’urée et le chlorure de guanidinium, déstabilisent les liaisons H et hydrophobes à l’intérieur de la protéine. − Les liaisons covalentes -S-S- des ponts entre les acides aminés cystéines sont détruites par des agents réducteurs tels que le mercapto éthanol, et le dithiothréitol (DTT) − L’observation de la dénaturation/renaturation des protéines par la chaleur ou un agent chimique réversible montre une transition rapide entre la forme reployée et la forme déployée. La forme de la courbe suggère un processus de « tout ou rien » qui résulte d’une transition coopérative entre les deux états. − La séquence seule détermine la conformation native. Si on dénature, après du temps, la protéine revient à l’état natif. En présence de faible quantité d’agent réducteur, convergence vers la structure active. − Les protéines « chaperonnes » aident certaines protéines à retrouver leur structure. − Prédictions des structures secondaires − Les prédictions sont basées sur l’hypothèse que les effets locaux prédominent pour déterminer si une portion de séquence adoptera une structure d’hélice, de feuillet beta ou de coude. La prédiction est établie par une moyenne mobile sur 5 résidus environ dans la méthode de Chou et Fasman (ne pas connaitre). − Cinétique de reploiement − Les cellules vivantes synthétisent les protéines rapidement dans les ribosomes. − Paradoxe de Levinthal : si on pense à une recherche exhaustive de toutes les conformations possibles 3 paires d’angles 𝜙𝜙 𝜓𝜓 par acide aminé. Une protéine de 100 acide aminé peut avoir 3100 conformations (5x1047).  − Une protéine ne peut pas tester les 3100 conformations. − Les auteurs montrent, qu’il suffit d’un petit biais énergétique dans la bonne direction pour que le temps prédit soit du même ordre de grandeur que la valeur expérimentale de la seconde ou moins (ex. contraintes stériques). − L’entonnoir du reploiement : le reploiement des protéines n’est pas une recherche dans tout l’espace conformationnel, il est restreint par les contraintes stériques du plan peptidique entre autres. Lipides − Structures des lipides de stockage − Lipide : chaine ou cycle carboné hautement réduit, et donc hydrophobe, lié à un groupement plus oxydé et hydrophile. − Les lipides de stockages sont stockés dans les adipocytes : acide gras, triacylglycérol, cholestérol, cholestérol-ester. − Les lipides apparaissent opaques à la microscopie électronique. − Les acides gras : 2 types : palmitate et oléate (ce sont des composés d’huile végétal) − Palmitate : 16 carbones (partie hydrophobe) + groupement carboxyle ionisé (partie hydrophile). − Oléate : 18 carbones (avec 1 double liaison) + groupement carboxyle (hydrophile) − Dans la plupart des lipides, les liaisons doubles C=C sont généralement en Cis. − On commence le compte de la nomenclature par le carbone avec le groupe fonctionnel. Ou compte par lettres grecques (non ordonnées) : carbone alpha : 1er carbone non hydrophile, donc 2ème carbone de la chaine. Carbone beta : 2ème carbone non hydrophile, donc 3ème carbone de ka chaine. Le dernier est le carbone oméga. − Oméga 3 : lipide ayant une double liaison au 3ème carbone à partir du carbone oméga (dernier de la chaine). − Les insaturations oméga3 et oméga6 ne peuvent pas être synthétisés par les humains et doivent être assimilés à partir de la nourriture. Ils sont appelés les acides gras essentiels. − Les sources d’acides gras oméga3 et oméga6 sont le poisson, les coquillages, les huiles végétales et les légumes à feuilles. − − Plus il y a d’insaturations, plus on s’approche du liquide. Plus il y a de carbone, plus on s’approche du solide. − Groupe méthylène permet la rotation de deux liaisons doubles l’une par rapport à l’autre. − Composants lipidiques de stockage : − Glycérol : trialcool : 3 groupements hydroxyle OH. − Triacylglycérol : glycérol (hydrophile) relié à 3 acides gras par des fonctions ester. − Cholestérol : une partie hydrophile (fonction alcool) − Ester de cholestérol : cholestérol + acide gras via une fonction ester entre la fonction carboxyle de l’acide gras et la fonction hydroxyle du cholestérol. − Tissus adipeux brun : entre les organes, beaucoup de petites gouttelettes lipidiques. Beaucoup de mitochondries très développées. Stockage modéré de lipides + brule de lipide pour générer de la chaleur. − Tissus adipeux blanc : 1 seule gouttelette lipidique, autour des organes, peu de mitochondries, stockage. − Structure des phospholipides − Lipides cellulaires : constitue les membranes des cellules : glycérolipide (ex. phosphatidylcholine), sphingolipide (ex. sphingomyéline) et les stérols (ex. cholestérol). − Glycérolipide et sphingolipide ont une structure similaire : une tête hydrophile et deux queues d’acide gras hydrophobe et un cœur qui lie les deux (différent entre les deux). Ces deux constituent les phospholipides (car groupement phosphate dans la tête hydrophile).  − Glycérolipide : glycérol relié à deux acides gras par derrière (via liaisons ester) et un phosphate (liaisons phosphodiester) relié à un alcool par devant. − Molécule amphiphile : molécule qui aime l’eau et la graisse de l’autre côté. − Différentes têtes : plus courant : sérine, éthanolamine, choline − Espèce ‘’viterionique’’ : molécule globalement neutre mais ayant deux charges opposées. − Sphingolipide : sphingosine (pas un acide gras) + acide gras sur le groupement amine (NH3+) pour former une liaison de type peptidique. Ceci relier à un groupement phosphate grâce à un éthanolamine. − Le sphingolipide le plus courant est la sphingomyéline avec un choline relié au phosphate. − Un autre sphingolipide : cérébroside (glycolipide) : tête avec un sucre. − Les phospholipides des archées sont différents : au lieu d’avoir des acides gras « normaux », ils ont des acides gras avec des groupes méthyles tous les 4 carbones. Ces méthyles participent à la création de liaison hydrophobe = membrane plus résistante et forte contre les conditions extrêmes. − Autoassemblages des lipides amphiphiles − Amphiphile : tête hydrophile et corps/queue hydrophobe. − Micelle : tête hydrophile à l’extérieur et les parties hydrophobes à l’intérieur. − Concentration Micellaire Critique : concentration dans laquelle on peut former des micelles. Saturation de la surface de l’eau avec ces amphiphiles. Donc la concentration en solution va augmenter et on aura la formation de ces micelles. − Plus la CMC est petite : plus les molécules vont rapidement s’associer − Plus la CMC est élevé : plus les molécules sont solubles et les molécules prendront du temps à s’associer. − Bicouche lipidique : hydrophile à l’extérieur et hydrophobe à l’intérieur − Liposomes : compartiment aqueux avec de l’eau entourer d’une membrane lipidique. − 3 types de liposomes : SUVs (Small Unilamellar Vesciles R